1、索結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展 索結(jié)構(gòu)作為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)類型，已在國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國第一部索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程已于2012年8月1日起正式實(shí)施。本文總結(jié)分析了索結(jié)構(gòu)核心構(gòu)件拉索的類型、特點(diǎn)以及溫度線膨脹系數(shù)取值；總結(jié)了弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及索膜結(jié)構(gòu)等主要索結(jié)構(gòu)的概念、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在國內(nèi)外主要工程中應(yīng)用。一、索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代大跨度建筑結(jié)構(gòu)的主要形式之一，已在國內(nèi)外大型工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中桿件類別的構(gòu)成，將預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分為三類，即剛性預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、剛?cè)峄旌项A(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、柔性預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。由于剛性預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工較

2、為復(fù)雜，工程應(yīng)用較少。伴隨著索體材料制作技術(shù)的提高以及拉索預(yù)應(yīng)力張拉施工技術(shù)日益成熟，剛?cè)峄旌项A(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)和柔性預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)代大跨度建筑結(jié)構(gòu)的首選結(jié)構(gòu)體系之一。由于后兩種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是以拉索作為主要受力構(gòu)件而形成的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，因此國內(nèi)外學(xué)者又將其稱為索結(jié)構(gòu)。根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中桿件類別的構(gòu)成可將其分為剛性預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(包括預(yù)應(yīng)力平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、鋼棒式吊掛結(jié)構(gòu)、鋼梁式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu))，剛?cè)峄旌项A(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(包括弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、索桁結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、拉索式吊掛結(jié)構(gòu))和柔性預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)(包括索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu))三類。二、拉索材料的種類 拉索從用途上可分為建筑結(jié)構(gòu)用索和橋梁用索；從

3、索體材料的構(gòu)成要素進(jìn)行分類，大致可分成鋼絲繩、鋼鉸線、鋼絲束。此外，還有鋼拉桿和H型鋼。鋼絲繩主要由繩芯、繩股和鋼絲三個(gè)基本元件組成。使用時(shí)，鋼絲繩會發(fā)生伸長，其伸長分為彈性伸長和結(jié)構(gòu)性伸長。鋼絲繩的預(yù)張拉技術(shù)是消除鋼絲繩結(jié)構(gòu)性伸長的有效手段。經(jīng)過預(yù)張拉處理后的鋼絲繩，可有效地消除其結(jié)構(gòu)性伸長，使整繩的每一根鋼絲在使用中能夠均勻受力，不僅避免了鋼絲繩在使用中的不便，而且可極大地提高鋼絲繩的使用壽命。鋼絲繩的強(qiáng)度和彈性模量低于鋼絞線，其優(yōu)點(diǎn)是比較柔軟，適用于需要彎曲且曲率較大的構(gòu)件。鋼絞線一般由7根鋼絲捻成，一根在中心，其余6根在外層向同一方向纏繞，標(biāo)記為17；也有多根鋼絲，如19根、37根等捻

4、成的鋼絞線；國內(nèi)常用17鋼絞線或由多根17鋼絞線平行組成的鋼絞線束。鋼絞線可采用的類型有鍍鋅鋼絞線、高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力熱鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線、涂塑鋼絞線、無粘結(jié)鋼絞線和PE鋼絞線等，并常采用整體型、單根防腐整體型、單根防腐型的索體截面形式。鋼絞線工作應(yīng)力較高，能適當(dāng)減少鋼材用量。鋼絲束有平行鋼絲束和半平行鋼絲束之分。平行鋼絲束是將若干根鋼絲平行并攏、扎緊、穿入聚乙烯套管，在張拉結(jié)束后采用柔性防護(hù)而成，適合于現(xiàn)場制作。半平行鋼絲束拉索在工廠內(nèi)全部制造完成，產(chǎn)品以盤卷的成品方式提供，適合于工地現(xiàn)場安裝架設(shè)。鋼絲束拉索廣泛用于各種建筑頂層索結(jié)構(gòu)和斜拉索橋、拱橋、懸索橋、人行天橋、水管、煤氣管道的越

5、江工程等。目前工程中應(yīng)用比較普遍的是半平行鋼絲束，為熱擠聚乙烯護(hù)層扭絞拉索，制作過程如下：將若干根高強(qiáng)度鋼絲采用同心絞合方式一次扭絞成型，絞合角為300.50。扭絞后在鋼絲束外面繞包高強(qiáng)度復(fù)合包帶，然后在鋼絲束上熱擠高密度聚乙烯防護(hù)層，拉索進(jìn)行精確下料后兩端加裝冷、熱錨具進(jìn)行預(yù)張拉，拉索以成盤或成圈方式包裝。鋼絲束的鋼絲采用熱鍍鋅的5毫米或7毫米的高強(qiáng)鋼絲，宜選用高強(qiáng)度、低松弛、耐腐蝕的鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不得低于1570兆帕，強(qiáng)度等級有1570兆帕、1670兆帕、1770兆帕、1870兆帕和1960兆帕等級別，彈性模量一般不小于1.90105兆帕。鋼絲束的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮軸向拉力和高彈性模量的力學(xué)

6、性能。目前，為了解決索體材料的銹蝕和腐蝕問題，已研究出含Zn-5%Al-RE合金鍍層的索體材料，這種新型索體材料具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和綜合的力學(xué)性能。國內(nèi)外有關(guān)的試驗(yàn)測試表明，其抗腐蝕性能是熱鍍鋅層的2倍以上，并具有更好的纏繞性能、可焊性能、可漆性能和成型加工性能等，此項(xiàng)成果已在鄂爾多斯伊金霍洛旗體育活動(dòng)中心等工程中得到應(yīng)用。三、索體材料的物理特性拉索是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，因此對拉索基本特性的研究就顯得非常重要。拉索的基本力學(xué)特性包括彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及溫度線膨脹系數(shù)，對于前兩者，拉索的制作廠家會提供給相應(yīng)的數(shù)值，但對于后者，一般按照經(jīng)驗(yàn)取值。很多情況下，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究大都忽略拉

7、索鉸捻特性，國內(nèi)按普通型鋼將拉索膨脹系數(shù)取為1.210-5/，有時(shí)取為1.8410-5/和1.1210-5/。國外對于拉索膨脹系數(shù)的取值也有3.910-6/和1.210-5/兩種。拉索線膨脹系數(shù)取值的不確定性給預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的溫度性能分析帶來了極大的誤差。為解決這個(gè)問題，給設(shè)計(jì)單位提供一個(gè)較為準(zhǔn)確的、考慮拉索鉸捻特性的拉索線膨脹系數(shù)，消除預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全隱患，天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所在國家自然科學(xué)基金的支持下，完成了相關(guān)的理論分析和試驗(yàn)研究。為了測定拉索的線膨脹系數(shù)，天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所設(shè)計(jì)制作了兩種拉索線膨脹系數(shù)測定儀器空氣加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器和水域加熱索線膨脹系數(shù)測定儀器。通過理論分

8、析和試驗(yàn)研究，最終確定鋼絲繩、鋼絞線、半平行鋼絲束3種索材的線膨脹系數(shù)值分別為：1.9210-5/、1.3810-5/、1.8710-5/。四、建筑索結(jié)構(gòu)的形式、特點(diǎn)及工程應(yīng)用目前，在工程中常用的建筑索結(jié)構(gòu)主要有弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)6種結(jié)構(gòu)形式。弦支結(jié)構(gòu)天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所從1998年開始，在研究弦支梁(即張弦梁)、弦支桁架(即張弦桁架)和弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，研究和歸納了這兩種結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，即用撐桿連接上部壓彎構(gòu)件和下部的受拉構(gòu)件，通過在受拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度，從而減小荷載作用下的最終撓度，改善上部構(gòu)件的受力形式，并通過調(diào)整受拉

9、構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)對支座產(chǎn)生的水平推力，使之成為自平衡體系，并將這種自平衡體系統(tǒng)稱為弦支結(jié)構(gòu)體系。課題組在研究弦支結(jié)構(gòu)體系本質(zhì)的基礎(chǔ)上，相繼提出了弦支筒殼結(jié)構(gòu)、弦支拱殼結(jié)構(gòu)、弦支混凝土樓板結(jié)構(gòu)、弦支鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)等多種弦支結(jié)構(gòu)，豐富了弦支結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)容。目前，弦支結(jié)構(gòu)體系已在大型的體育場館、會展文化中心、重大交通樞紐、大型廠房等國家重要基礎(chǔ)建設(shè)工程中得到廣泛應(yīng)用。在弦支結(jié)構(gòu)體系中，弦支梁或桁架(張弦梁和張弦桁架)是出現(xiàn)最早的一種弦支結(jié)構(gòu)。1839年德國建筑師Georg Ludwig Friedrich Laves，發(fā)明了一種預(yù)應(yīng)力梁“Lavesbeam”，他把梁分成上層和下層兩部

10、分，兩者之間僅用立柱連接，通過這種方式梁的強(qiáng)度可以顯著提高，并用于Herrenhausen花園的溫室中，這是筆者目前查到的最早弦支梁的雛形。Paxton利用這種預(yù)應(yīng)力梁概念，在建于1851年的倫敦萬國博覽會的水晶宮結(jié)構(gòu)的桁架之間采用了弦支梁結(jié)構(gòu)檁條。建于1876年費(fèi)城博覽會展館的國際展廳屋蓋同樣采用了弦支梁結(jié)構(gòu)。最早提出弦支梁結(jié)構(gòu)概念的是MasaoSaito。在1979年Madrid召開的IASS年會上，Masao提出了弦支梁結(jié)構(gòu)形式，并研究了其基本受力特性和分析計(jì)算原理。1998年，天津大學(xué)教授劉錫良率先在國內(nèi)對張弦梁結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)、深入的研究，當(dāng)時(shí)由于直接取其日語“張弦梁”定義，故“張弦梁

11、”的名稱沿用至今。截至2008年，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國已有51項(xiàng)平面弦支結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。其中較為典型的工程項(xiàng)目有：國內(nèi)第一個(gè)張弦梁結(jié)構(gòu)上海浦東國際機(jī)場航站樓，國內(nèi)首個(gè)跨度超過100米的平面張弦結(jié)構(gòu)哈爾濱國際會展中心、采用雙索的平面弦支結(jié)構(gòu)遷安文化會展中心。國內(nèi)劉錫良教授1998年最先開展了可分解空間型弦支結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能研究，而真正意義上的第一個(gè)雙向張弦結(jié)構(gòu)工程建于2005年，即深圳市福田交通綜合樞紐換乘中心工程鋼結(jié)構(gòu)。此后，典型的工程應(yīng)用有2008年北京奧運(yùn)會國家體育館雙向張弦結(jié)構(gòu)、2008年北京奧運(yùn)會乒乓球館輻射張弦結(jié)構(gòu)等大型工程。弦支穹頂結(jié)構(gòu)是1993年由日本川口衛(wèi)教授提出，并應(yīng)用到日本跨度

12、為35.4米的光丘穹頂。筆者1996年在日本跟隨川口衛(wèi)教授做博士后時(shí)，對此進(jìn)行了一些研究，并于1998年回國后在中國博士后科研基金的支持下，在國內(nèi)首先對弦支穹頂結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)深入的研究，并參與設(shè)計(jì)完成了國內(nèi)第一座中大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)天津保稅區(qū)國際商務(wù)交流中心大堂屋蓋結(jié)構(gòu)。隨后，國內(nèi)浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、北京建筑工程研究院、清華大學(xué)等單位也開始對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和施工技術(shù)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。2007年，建成國內(nèi)第一座大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)2008北京奧運(yùn)會羽毛球館。截至目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)已有23項(xiàng)弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程，其中最大的球形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為濟(jì)南奧體中心體育館，跨度為122

13、米；最大的橢球形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為大連市體育館，跨度為145米。柳州奇石博物館經(jīng)過優(yōu)化分析后采用了弦支筒殼結(jié)構(gòu)。遼寧華福印染公司的廠房結(jié)構(gòu)屋蓋為筒殼形，矢跨比小，經(jīng)過方案比較，采用了弦支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格形式為三向網(wǎng)格，最終結(jié)構(gòu)用鋼量為50千克/平方米。天津大港發(fā)電廠干煤棚屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)布置受生產(chǎn)工藝影響大，經(jīng)過分析整體采用了大跨度門式剛架與弦支筒殼復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，屋蓋部分采用弦支雙層筒殼結(jié)構(gòu)，用鋼量約為55千克/平方米。弦支筒殼結(jié)構(gòu)在這兩個(gè)工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供參考依據(jù)和指導(dǎo)。由于篇幅有限，筆者對斜拉結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)、索桁架結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)作簡單介紹。斜拉結(jié)構(gòu)是由主結(jié)構(gòu)、塔柱

14、和拉索構(gòu)成的一種索結(jié)構(gòu)形式。斜拉結(jié)構(gòu)多用于橋梁結(jié)構(gòu)，即斜拉橋。索穹頂結(jié)構(gòu)是由連續(xù)的拉索和間斷的壓桿構(gòu)成的一種自平衡、自應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，是目前最接近Fuller張拉整體結(jié)構(gòu)思想的結(jié)構(gòu)體系。由于該結(jié)構(gòu)體系主要以拉桿為主，因此構(gòu)件材料強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，尤其是采用強(qiáng)度本身就很高的拉索材料，因此索穹頂結(jié)構(gòu)的自重較輕，跨越能力較大。索桁架結(jié)構(gòu)是由飛柱和索組成的索結(jié)構(gòu)，可分為平面索桁架結(jié)構(gòu)和空間索桁架結(jié)構(gòu)。平面索桁架結(jié)構(gòu)多用于玻璃幕墻，屬于雙層索系結(jié)構(gòu)，包含魚腹式索桁架和自平衡索桁架。索膜結(jié)構(gòu)和索網(wǎng)結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)主要包括充氣膜結(jié)構(gòu)、氣承結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)三類，其中張拉膜結(jié)構(gòu)又包括懸吊式膜結(jié)構(gòu)和骨架式膜結(jié)構(gòu)，兩者都是以鋼索和鋼結(jié)構(gòu)件為主承重結(jié)構(gòu)傳遞膜面外界荷載的，因此張拉膜結(jié)構(gòu)又稱為索膜結(jié)構(gòu)。索結(jié)構(gòu)體系作為一種主要的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系，其體系越來越豐富，發(fā)展速度越來越多快，科學(xué)體系越來越完整，工程應(yīng)用也越來越多，從整體上來看，我國在弦支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)等方面的建造技術(shù)水平代表了世界水平。但是在索穹頂結(jié)構(gòu)方面，我國目前建造的最大跨度索穹頂落后于國外，因此今后還需在現(xiàn)有的實(shí)踐和理論基礎(chǔ)上，繼續(xù)對索結(jié)構(gòu)，尤其是索穹頂結(jié)構(gòu)的施工控制理論與設(shè)計(jì)優(yōu)化理論進(jìn)一步開展研究，使索結(jié)構(gòu)體系能夠得到健康發(fā)展。